Question

12．铵盐是重要的化工原料，以N₂和H₂为原料制取硝酸铵的流程图如下，请回答下列问题：

（1）在上述流程图中，B设备的名称是氧化炉，其中发生反应的化学方程式为4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O．
（2）在上述工业生产中，N₂与H₂合成NH₃的催化剂是铁砂网（或铁）．1909年化学家哈伯在实验室首次合成了氨，2007年化学家格哈德•埃特尔在哈伯研究所证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如下（①-⑤）：

分别表示N₂、H₂、NH₃．图⑤表示生成的NH₃离开催化剂表面，图②和图③的含义分别是N₂、H₂被吸附在催化剂表面、在催化剂表面N₂、H₂中化学键断裂．
（3）NH₃和CO₂在一定条件下可合成尿素，其反应为：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（ NH₂）₂（s）+H₂O（g）
图⑥表示合成塔中氨碳比a与CO₂转化率ω的关系．a为[n（NH₃）：n（CO₂）]，b为水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]．则：
①b应控制在C；
A.1.5.1.6         B.1～1.1        C.0.6～0.7
②a应控制在4.0的理由是a等于4.0，CO₂转化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO₂转化率无明显增大．
（4）在合成氨的设备（合成塔）中，设置热交换器的目的是利用余热，节约能源；在合成硝酸的吸收塔中通入空气的目的是可使NO循环利用，全部转化成HNO₃．
（5）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下两种方法处理：
碱液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O
NH₃还原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{催化剂}}{△}$ 7N₂+12H₂O（NO也有类似的反应）
以上两种方法中，符合绿色化学的是NH₃还原法．
（6）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的产率是96%、NO制HNO₃的产率是92%，则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量（不考虑其它损耗）的54.1%．

Answer 1

分析 （1）B为氧化炉，在氧化炉中氨气与氧气催化氧化生成一氧化氮和水；
（2）按照气体分子向催化剂表面靠近、被吸附、分子分解成原子、氮原子和氢原子结合生成氨气、氨气分子离开催化剂的顺序解答；
（3）①由图可知，水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]b的值越小，则CO₂转化率ω越大；
②a控制在4.0时，CO₂转化率ω已经达到较高的值，而继续提高氨碳比[n（NH₃）：n（CO₂）]，CO₂转化率ω无明显提高；
（4）合成氨的反应属于放热反应，热交换器可以充分利用余热，节约能源；在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，NO能被氧气氧化为二氧化氮；
（5）据反应化学方程式反应物和生成物的性质和经济效益分析，绿色化学为无污染，原子利用率高的生产；
（6）根据NH₃制NO的产率是96%、NO制HNO₃的产率是92%，利用氮原子守恒来计算硝酸的量，再由HNO₃跟NH₃反应生成NH₄NO₃来计算氨气的量，最后计算制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数．

解答 解：（1）在上述工业制硝酸的生产中，B设备是进行氨的催化氧化反应，在氧化炉中进行；发生反应的方程式为：4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O，
故答案为：氧化炉；4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$4NO+6H₂O；
（2）在上述工业生产中，N₂与H₂合成NH₃的催化剂是铁砂网氮；氮气气、氢气在催化剂表面合成氨反应过程的顺序为：图①氮气分子和氢气分子向催化剂表面靠近，图②氮气和氢气吸附在催化剂的表面，图③在催化剂的作用下分解成氢原子和氮原子，图④表示氮原子与氢原子重新结合成氨分子，图⑤生成的氨气离开催化剂表面，
故答案为：铁砂网；N₂、H₂被吸附在催化剂表面；在催化剂表面，N₂、H₂中化学键断裂；
（3）①由图可知，水碳比[n（H₂O）：n（CO₂）]b的值越小，则CO₂转化率ω越大，故b应控制在0.6～0.7，故选C；
②a控制在4.0时，CO₂转化率ω已经达到较高的值，而继续提高氨碳比[n（NH₃）：n（CO₂）]，CO₂转化率ω无明显提高，故控制在4.0，故答案为：a等于4.0，CO₂转化率迅速提高到最大值；而a在4.0之后增大，CO₂转化率无明显增大；
（4）合成氨的反应属于放热反应，反应过程中会放出大量的热，用热交换器可以充分利用余热，节约能源；在吸收塔中二氧化氮与水反应生成硝酸和NO，通入空气，NO能被空气中的氧气氧化为二氧化氮，二氧化氮再与水反应生成硝酸，这样使NO循环利用，全部转化为硝酸；
故答案为：利用余热，节约能源；可使NO循环利用，全部转化成HNO₃；
（5）碱液吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，NH₃还原法：8NH₃+6NO₂ $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{△}$7N₂+12H₂O，分析可知碱液吸收法消耗大量的氢氧化钠生成的亚硝酸盐毒，NH₃还原法产物无污染，得到合成氨的原料气，故符合绿色化学的是氨气还原法，故答案为：NH₃还原法；
（6）根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，
则1mol氨气可得到硝酸的物质的量为：1mol×96%×92%=0.8832mol，
根据HNO₃+NH₃═NH₄NO₃可知反应消耗的氨气的物质的量为：0.8832mol，
氨气的质量之比等于物质的量之比，
则制HNO₃所用去的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数为：$\frac{1mol}{1mol+0.8832mol}$×100%≈53.1%，
故答案为：53.1．

点评 本题以硝酸的工业制备为背景，综合考查对化学反应中化学键变化、转化率计算等考点以及对图形的观察能力、推理能力，题目难度中等，注意掌握工业制取硝酸的反应原理．